基于問題引導式的信息論與編碼課程“線上+線下”混合式教學探索

陳 燕

（中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

信息論是現代信息科學與技術的基礎理論，信息的獲取、傳輸等與人們的生活緊密聯系。信息論在通信、圖像處理等領域得到了廣泛的應用。信息論課程解決通信系統中有效性和可靠性的問題，許多信息類課程如衛星通信、移動通信、語音信號處理均是通過分析信源和信道的特性，找到合適的編碼方法，因此信息論作為方法論一直在信息技術領域發揮著很好的指導意義。

信息論與編碼是本校電子信息類專業重要的專業基礎課程，該課程涉及概率論與數理統計、矩陣論及數值方法等數學知識，課程內容以信息測度為核心，圍繞測度的計算以及三大優化定理展開教學，是一門理論內容豐富、數學推導嚴密且實踐性強的課程，被稱為“通信中的數學理論”，通過本課程的學習，學生能夠牢固地掌握信息論與編碼的基本概念、編碼的理論和實現原理；理解信源的熵、熵的性質和無失真信源編碼理論、限失真信源編碼理論以及各種常用的信源編碼和信道編碼方法；能夠建立信息表示模型，運用相關知識解決通信過程中的信息傳輸等問題，構建系統最優化理念。

一、新工科建設下課程改革的必要性

本科階段的信息論與編碼課程核心就是香農信息論，然而“香農信息”研究信息的客觀屬性，將信息的語用價值和語義剝離開，與人感受到的信息有較大差異，這使得大二學生深入理解信息意義時是很有難度的。此外，信息論與編碼主要是運用概率論和數理統計的方法來研究信息的傳輸和處理過程中一般規律和具體實現的學科。此類教材中有大量的數學模型和演算證明的過程，所以，很多學生都把該課程當成概率課程來學習。教學中，教師也會花大量時間講證明，做概率分析，課程難免就變成了概率論的后續課程，而信息論對通信過程優化的重要作用和指導意義沒有深入探討，在以教師課程講授為主的傳統教學模式下，課堂教學抽象難懂，教學內容與實際脫節，教學方法單一，不能有效激發學生學習的興趣和熱情，教師和學生沒有形成良性互動，教師不能及時了解學生學習進度和掌握情況，長此下去的結果會使得學生學習中遇到的難題不能及時解決，問題堆積如山，學生學習會有挫敗感，進而產生厭學的心理。現有的教學模式中，忽視學生的主體地位，留給學生思考和互動的時間少，限制了學生的主動性和創造性。理論講解和應用實踐割裂，教學理念與工程教育專業要求背離，課程培養無法適應工程教育專業認證，進而也達不到培養應用型人才的要求。此外，考核方式的單一，輸出導向不明確，課程考查點沒能有效反映對培養目標達成度的貢獻，也是傳統教學中普遍存在的一個現象。

基于上述分析，在新工科建設的必然趨勢下，教師教學應貫徹以學生為中心和持續改進的教育理念，以培養具有工程實踐能力的應用型人才為目標。

二、教學設計

根據新工科建設人才培養要求，改變傳統課堂滿堂灌的教學方式，建立以學生為中心的教學生態，探索問題引導式教學方法，將課程中的基本知識點用不同層次的問題串聯起來，在問題的引導下，形成分析問題、解決問題的科學思維方式，這也恰恰體現出信息論課程作為通信專業課程方法論的重要地位。互聯網時代的到來，為線上教學提供了有利支持，擴展了學生學習的空間和時間，基于混合式教學進行課程教學設計如圖1 所示，把以解決問題為主導滲透到教學中，通過線上預習和線下課堂教學有機結合進行混合式教學探索，讓學生積極思考、敢于探索、敢于創新，在循序漸進中提升實踐能力。

圖1 問題引導式混合教學設計

（一）課程目標

課程以Shannon 信息論為出發點，以信息與通信系統的優化為主線，以數學推導為工具，從數學模型出發分析工程實踐，強調對通信一般規律的描述，突出信息論的應用指導。通過本課程的學習，使學生能理解有關信息論的基本理論和編碼方法，掌握通信系統中各模塊數學模型的建立方法、熟悉評估各模塊的指標參數及分析方法，為后續現代通信系統、微波技術與天線、通信系統建模與仿真等相關專業課程的學習以及從事通信領域的理論研究和工程技術工作奠定基礎。

自本校通信工程專業中實行“卓越工程師教育培養計劃”以來，基于OBE 理念結合工程教育理念和畢業要求凝練修訂教學大綱，從整個課程體系上進行了重新設計，信息論與編碼課程支撐畢業要求分指標點進一步明確細化，見表1。

表1 課程目標與畢業要求指標點對應關系

為了使學生明確課程學習目標，在首次上課期間相關課程教師會以概述的形式對學生進行課程知識點的普及與講解，并詳細介紹課程性質與特點、主要講授內容和學習方法等，使學生明確課程定位，進而引出課程目標，加深或引起學生的理解和重視。

（二）問題引導式混合教學

課程教學中引入問題引導教學方法，課堂教學不再是教師滿堂灌，通過設計恰當的問題，讓學生主動參與到學習中，增進學生學習興趣。設計的問題首先應與課程知識點緊密聯系，問題的設計可以激發學生學習動力，設計難易不同的問題可以滿足不同學生學習的需求，所以問題要有層次性，使得大部分同學可以完成問題的解答，學生通過回答問題同時能夠獲得一定的成就感。層層遞進的問題引導學生逐步進入課程學習中。通過解決問題，培養學生學習的能力，主動解決問題的能力，這與新工科建設要求是一致的。

基于新工科建設目標要求，通過問題引導式教學，找到與知識點對應的實際例子，課程不再抽象，緊密貼合生活，課堂教學生動起來，學生主動參與學習，不但對于知識理解加深而且在不斷的解決問題中，培養了工科學生解決問題、分析問題等能力，與新工科建設下的課程目標是一致的。

更重要的是“互聯網+”時代的到來，為問題引導式教學提供了重要的學習平臺，在線課程的開放改變了傳統課堂教學滿堂灌的模式，學生可以通過在線課程進行預習和課后鞏固學習。教師通過在線學習平臺發布問題，引導學生自主學習，通過回答問題學生對于知識點的理解更加深入，同時提高學生解決問題的參與度，學生帶著線上學習的問題走進課堂，課堂不再是教師一言堂，以典型問題為課堂教學重點，課堂以合作交流、學習討論為主，教學模式的改變極大地訓練了學生基于相關科學原理和數學模型方法，對信號獲取與處理等復雜工程問題建模的能力。這與新工科建設目標是一致的。

線上與線下教學的有機融合，將課前預習、課堂教學、課后復習緊密結合在一起，問題引導滲透在每一個環節，學生在不斷的“闖關”中，解鎖新的方法和技能，以潤物細無聲的方式完成了課程教學并達成教學目標。

1.線上教學

充分利用線上資源開展課前預習，教師結合本校學生特點和教學要求，錄制針對性的教學視頻，通過在線教學平臺發布，結合優秀MOOC 資源，學生可以依照自身學習習慣自主學習，課前查閱本節課程教學目標，學習在線課程，回答本節問題并積累學習積分，記錄學習難點，可在線與教師交流也可在課堂交流解惑，課前的有效預習使得學習效果事半功倍。

課前預習是實現翻轉教學的重要環節，教師充分利用線上教學平臺發布情境問題，學生帶著問題去看學習視頻，有的放矢，針對性解決問題，訓練學生的綜合學習能力。

教師在錄制視頻時，遵循起承轉合安排講解，通俗易懂，且時長不宜太長。本文以錄制課程率失真函數知識點視頻為例說明錄制短視頻，通過生活實例“起”，引出本節課程內容：視頻展示不同壓縮比的圖片，經過對比分析，看到在一定的壓縮范圍內，人眼很難區分圖像變化，在一定誤差范圍內并不影響圖像信息，“承”由生活實例引出本節知識點，所以有限失真信源編碼，于是出現了“轉”，我們看到既然允許失真，那么對于信息率是可以降低的，分析信息率與失真之間的關系，所以有“合”定義率失真函數，描述信息傳遞速率與允許失真的關系，給出信源編碼允許失真的范圍，得出如何評價通信系統性能的優劣。

2.線下課堂

線上學習的知識是零散的，而課堂教學正是要將這些零散的知識點梳理清楚，使得學生學習的知識系統化，教師在課堂中通過專題講座、拓展講授、交流討論等多種方式完成知識概括和歸納。同時，教師根據學生線上預習結果展開有側重的課堂教學，在問題引導式教學中幫助學生明確理論知識與實際應用之間的關系。

例如在講解信源編碼時，通過課堂播放諜戰片中電文發報片段，當同學們看到了熟悉的場景，就愿意參與其中，此時提出課程要解決的問題：如何有傳輸信息？問題的設計就先入為主，激發了學生要解決有效傳輸信息的興趣。興趣是最好的老師，在此基礎上引入問題，有消息要傳遞給遠在家鄉的家人，由于條件受限，只能傳輸有限字符數的信息，該如何解決？問題層次遞進，要求同學提出解決的辦法，帶著這樣的問題學習掌握了信源的兩種編碼方法，但信源的定長編碼和變長編碼有不同的編碼效率，這一現象引發同學們思考，為何會有不同的結果，通過對比分析，掌握了課程重要的編碼定理，并且具備了課程目標中要求的對比分析能力。

再例如講解信源熵時，首先讓學生通過對比不同語言的信源熵，得到中文的熵最大，引出問題，分析哪些因素和信源熵有關，得出最大離散熵定理，通過實例分析使學生更容易接受新的知識點，進而理解概念本質，將課程理論與實際應用緊密聯系。

線上與線下課堂的有機結合，學生學習目標明確，水到渠成般吸收了新知識，縮短了學生和課堂的距離，拉近了學生和教師的關系。這也使后面教師對學生的考核評價更客觀、更全面。

（三）過程評價

混合式教學的另一重要環節就是課程考評，基于問題引導式教學過程，改變傳統的課上點名、批改作業和閉卷考試的打分模式，重視學習過程，引入過程考評，學生線上和線下學習都有學習分，過程性考評與期末考試按照一定比例定量給出學生綜合成績。通過考核方式的改變，讓學生注重學習的每一個環節，主動參與到學習中，從而提高學習效果，并最終為人才培養目標服務。

形成性評價的加入，讓課程的考核方式變得多樣化和全程化。以本校信息論與編碼課程考核為例，信息論與編碼課程考核方式包括線上、線下和期末考試三個環節，線上學習成績包含在線學習、課程測試、討論區交流等；課堂學習則包含課堂測試、交流討論等。借助在線學習平臺，實現了線上學習和課堂學習的定量評價，課程定量評價目標包含2 個分課程目標（見表1），3 種考核方式，各考核方式對課程目標達成評價的權重占比分配。見表2。

表2 各考核方式對課程目標達成評價的權重占比分配

第i 個分課程目標的評價基于各環節k 的貢獻加權求和，就是該分課程目標的達成度A，即

多個分課程目標再根據比例加權求和，就得到本門課程的課程目標達成度A。

其中：k 表示不同的考核方式，i 表示不同的分課程目標；S表示第i 個課程目標中第k 種考核方式在總成績中的占比；P表示第i 個課程目標在課程總評價中的占比；G表示第k 種考核方式支撐第i 個課程目標的達成度。課程定性評價采用“教師評價”“學生互評”等形式進行調查學生掌握知識及獲得能力等課程目標達成情況。最后，綜合定性與定量評價結果，取最小量為最終評價結果。

（四）思政教學

在課程思政建設中，堅持以愛國主義教育為核心，以科學家艱苦奮斗、矢志報國的事跡感染學生，以我國高新技術在艱難的國際局勢中自主創新、砥礪前行的發展歷程激勵學生，通過思政案例的教學很好地促進學生的課程學習，踐行了高校“立德樹人”的育人理念，與為新工科建設相得益彰，思政教學設計見表3。

表3 思政教學融入點

三、結束語

基于新工科建設要求，本文針對信息論與編碼課程特點，研究以問題引導式混合教學方法，通過情景設計，引出課程知識點，使得課堂變得生動，而且學生更容易接受新的知識；采用線上線下結合的方式，學生可以隨時隨地進行學習，帶著問題進入課堂，增加課堂互動，豐富教學方法，明確教學目標，提高教學質量；引入過程性考評，更客觀地評價學生學習，使學生重視學習的每一個環節，變被動學習為主動學習，符合新工科人才培養要求；課程教學不忘初心，加入思政教學元素，以愛國主義教育為主線，將科學精神、團結合作、辯證法等元素加入課程學習中，激勵學生學習熱情，使得教學效果事半功倍。通過教學方法的改革探索，改變學生學習現狀，加深知識理解，拓展科學視野，為后續課程的學習奠定扎實基礎。